书城科普爱因斯坦的圣经
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第11章 新约(9)

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,它假设万有引力并不是一种机械力,而是物质存在所造成的时空弯曲的结果。他的理论第一次解释了水星运动中的不规则现象,那就是,水星围绕太阳运行的椭圆轨道,应当在一个世纪里转动43弧秒。他的理论预言光在太阳这样的巨大物体附近将会弯曲。它暗示了引力波和黑洞的存在。它预言光离开地球表面时会丧失能量并发生红移,它的波长将变长。这种现象被称为引力能量红移。类似地,该理论预言钟表在靠近如中子星这样引力很强的巨大物体时,它将比远离这样巨大物体的钟表走得要慢一些。这称为引力红移时间膨胀。

由此,在仅仅11年中,大部分《旧约》的物理学被重写了。阿尔伯特·爱因斯坦重写了艾萨克·牛顿爵士的福音书。它们将成为《新约》的一部分。

爱因斯坦并没有欣然接受20世纪初出现的所有物理学的新进展。例如,他没有接受量子力学和宇宙的或然性理论,“我不相信上帝掷骰子。”他说。

上帝可能不会,但自然会。

爱因斯坦将他的后半生贡献给对宇宙理论的探求中,他在寻找普遍法则。普遍法则即使对爱因斯坦的头脑来说也是过于深奥。

随着年龄的增长,爱因斯坦变得更为达观。他成了一个和平主义者和公众人物。有一天他说:“上帝是深奥的,但他没有恶意。”

上帝可能没有,但自然有时却有恶意。

1955年4月18日,爱因斯坦没能从一场深沉的睡眠中醒来。而爱因斯坦的灵魂和智慧逸出他的肉体,高高上升并端坐在群星之间。还有许多科学家的幽灵随他一同上升。爱因斯坦和其他科学先知的思想被写入了教科书中,镌刻在人们的心中。

在某处这样写着:“爱因斯坦是一个伟大的科学圣徒。”这些话就写在你的双手之间。

第2章:爱因斯坦的预言

我毕生都试图理解

电磁光的本质。

——阿尔伯特·爱因斯坦

自从爱因斯坦关于引力的论文发表以来已有若干年过去,现在是1919年5月29日。一次日蚀即将发生,天文学家支起了望远镜等待着。这是个多云的日子,天文学家们十分失望,直到云彩突然散开出现了光。片刻之后,天空变暗,可以看见太阳附近的星星。这些星星的位置被测量出来。现在,它们的位置不同于太阳在别处时它们在天空的位置,星光在太阳周围弯曲了。由此,像太阳这样的巨大物体,通过引力吸引光线,正如它用质量吸引一个物体一样。而且,被测出的星光的弯曲度与由爱因斯坦引力理论推算的弯曲度相吻合。先知的预言应验了。

1932年,阿比·乔治·勒梅特提出了一个假说,宇宙是由一次爆炸开始并仍在继续膨胀。事实上,宇宙膨胀是爱因斯坦引力理论的一个结论。现在,天文学家把他们最大的望远镜指向遥远的星系,观察它们的电磁光谱。如此遥远的星系的光谱系统位移:蓝区显现为黄色,黄区显现为红色,如此等等。这就是光的红移,一种光的多普勒效应。这意味着星系正在快速离开地球。所以,空间的结构确实在膨胀,膨胀的空间使星系相互分开。仿佛宇宙是一个大气球而星系则是涂在这假想的气球表面上的斑点。有什么人或什么东西正在向里吹气使之膨胀。随气球的胀大,斑点也分开了。但是没有人往宇宙中吹气,因为宇宙的膨胀是自然的。爱因斯坦的引力理论已经作出保证。现在膨胀率被测量出来,在一年中,宇宙伸长十亿分之五。先知的预言应验了。

宇宙的膨胀率被赋予了一个名字就是哈勃常量。宇宙过去的膨胀率也同样被称做哈勃常量。哈勃常量并不是恒久不变的,因为较早的时候宇宙膨胀得较快。宇宙的年龄每增长一倍,膨胀速度就降低一半。

当天文学家对星系的距离和速度做出更多的测量时,他们就更好地理解了宇宙的扩大。他们往回推断星系的位置,当他们追溯到150亿年左右时,认识到所有星系都集中在一小片空间中。所以大约150亿年前,所有物质都堆在一小块空间上。一开始,在一场爆炸中,物质像碎片一样四散纷飞。但是宇宙并不是真的爆炸了,它只是膨胀了。物质被浓缩在一个小空间的那个最初时刻,被赋予了一个名字,那就是大爆炸。

1939年,地点是哥本哈根。科学家们把铀核裂变为二。裂变导致了质量的损失,于是质量被转换成了能量。对质量的损失和能量的获得进行了测量,质量m和能量E之间的关系得到了检验。它符合公式E=mc(上标2)。先知的预言应验了。

在宇宙最初的几秒钟内,物质湮灭反物质的时候,E=mc(上标2)被一次又一次地应用,虽然那时还无人写下这个等式。确实,在那时还不存在生物。还没有细胞,没有分子和原子,甚至没有核子。但E=mc(上标2)仍然有效,因为它是一个规律。人不能创造自然规律,只能以他能理解的形式写下它们。

虽然爱因斯坦广义相对论的一些预言已经得到验证,仍有一些科学家怀疑这些新思想。他们是不信者,但其他科学家确信了,他们超越怀疑的阴影去进行实验,去证明这个理论。科学家继续探求真理寻找佐证。

1960年,在一间实验室中,两名科学家测量了某种激光的波长。他们将激光指向上方,测量了几米高处的波长,那里的波长更长一些。这意味着,当光上升,它的能量随高度而下降。这种效应是引力能量红移。对波长的差异进行了测量,结果符合爱因斯坦理论的计算。先知的预言应验了。

用宇宙光进行了类似的实验:对白矮星表面强引力区域产生的光进行了仔细的观测。再次发现了引力能量红移。

1964年,科学家们在等待金星从太阳后面经过。他们把强劲的雷达脉冲指向金星。雷达脉冲从地球出发,经过太阳,撞击到金星表面后弹回。反射的雷达脉冲朝向地球而来,经过太阳后抵达地球。科学家们测量了这次旅行的时间。这个时间比太阳不处于地球和金星之间时要长。在水星从太阳附近经过时,这种实验又重新进行了一次。测量出的时间延迟符合用广义相对论进行的计算。于是证实了引力时间延迟红移。先知的预言应验了。

一只极其精确的铯原子钟被放在一艘现代喷气式飞机中。而第二只铯原子钟留在地球上。喷气机在高空飞行15小时后返回地面。爱因斯坦的狭义和广义相对论预言,飞机中的钟将比引力更强的地球上的钟走得要慢,飞机上的钟应慢上十亿分之四十七秒。飞行结束,读取了两只铯钟的时间。与地面上的钟相比,飞机上的钟慢了十亿分之四十七秒。于是引力红移时间膨胀得到了证实。

1974年,天文学家观测到一颗新的脉冲星。它位于天鹰星座,距地球1.5万光年。它的名字,1913+16。现在,这颗脉冲星每秒发出17次无线电信号,有规律地到达地球。由此,脉冲星的信号就像一台稍不精确的天文钟。有时它微弱地变慢,有时又微弱地变快。但是这种变化是可以察觉的,并可由波多黎哥的一个直径为300米的无线电天线检测出来。通过对信号变化详细的分析,科学家们推测脉冲星由两个中子星组成。信号的变化使科学家们能够看见轨迹。于是天文学家可以“用耳朵看了”。

爱因斯坦的引力理论预言,二元脉冲星系统应经历与小星星类似的不规则运动。但由于二元脉冲星系统中的引力要大得多,其效应也应更明显。计算预言,其椭圆轨道应每年旋转四度。天文学家倾听脉冲星并“看见”椭圆每年以四度规模旋转。先知的预言应验了。

因为轨道为椭圆,中子星之间的距离是变化的。由于距离的改变,两星之间的引力也反复地变强变弱,所以应有引力红移时间变化。广义相对论预言,脉冲将有4‰秒的延迟与超前。用他们的无线电天线倾听脉冲星,天文学家们观测到了4%o秒的滞后与超前。

广义相对论做出了一个惊人的预言:在两颗中子星彼此运行时,它们将辐射出引力波并损失部分能量。于是,二元脉冲星将像一个广播站一样发出无线电波和引力波。随着两颗中子星能量的丧失,它们将彼此靠近并因此螺旋飞行。但因为引力波丧失的能量如此之少,它们将非常缓慢地彼此靠近,一年仅仅3.5米。随着不断靠近,它们彼此旋转所需时间也越少。经过对信号多年的细心倾听,科学家们确实观测到它们运转一周所需的时间在减少。于是,引力波被检测出来,尽管是间接地。于是它们的存在,正如广义相对论所预言的那样被真正证实了。通过观察,测定了轨道时间的递减,从时间的减少又推测出能量的丧失。于是二元脉冲星在引力波中发射的能量通过这些手段间接地测量出来。它符合相对论的计算。先知的预言应验了。

1979年,一台高倍望远镜观察到两个几乎紧挨在一起的类星体。以前从未见过两个彼此如此靠近的类星体。进一步的观察显示,这两个类星体以相同的速度在运行。当对这两个类星体的光谱进行分析时,它们也是相同的。这样的巧合不可能是偶然的。科学家们逐渐认识到这两个类星体不是两个,它们是一个类星体的两个影像。这情形就像一个人“对眼”时会看见双影一样。一台望远镜只有一只“眼睛”,它怎么能“对眼”呢?为什么会看见有两个影像呢?一大排无线电天线对准这奇异的外星体,同样发现了一个多余的影像。很明显,无线电波和光一样也发生了重影现象。爱因斯坦的引力理论预言,非常重的物体将起引力透镜的作用。如果一个巨大的星系存在于类星体和地球之间,那么星系使电磁波弯曲,类星体出现双影。天文学家们把他们最灵敏的望远镜指向类星体所在的区域。在地球大气层平静无风、天空格外清澈的一个夜晚,人们观测到了类星体的影像中间有一个微弱的星系。这个星系的距离被测量出来,它正处于类星体和地球的中间。

随后又发现了其他双影类星体。科学家们得出结论,宇宙中包含有巨大的星系,它们使时空弯曲。弯曲的时空就像透镜一样。通过引力透镜效应,天文学家看到了空间的弯曲。于是,广义相对论的基本原理得到了验证。先知的预言应验了。

根据爱因斯坦的引力理论,一个小而暗的沉重物体也将使光线弯曲。但与产生双影的星系不同,一个大行星或小恒星那么大的物体将聚焦光线。它的作用像一面放大镜,把光线聚焦成一个更亮的点。1992年,天文学家开始监测成百万的星体,看是否有星体在变亮。第二年,若干这样的事件被发现了。在短时间后,每一个这样的星星都暗淡了,回到它们正常的亮度,因为黑暗物体已从它们附近过去。所以,确实有看不见的不发光体在星体前面移动使它们变亮。由此,通过引力透镜,天文学家看见了用望远镜、无线电天线或肉眼所看不见的东西。他们看见了无形的东西。这些无形的物体被赋予了一个名字,那就是MACHO,意思是“巨大坚实的晕体”。

神圣的先知让人看见有光的物体。

爱因斯坦让人类看见无光的事物。

新约之科学十诫

你应谨守我的诫命。

1.你只可信仰一个且惟一的自然之律,宇宙之律。甚至在它们处于支离状态下,你也应遵守它的原理。

2.你应服从引力,因为你应在时空的自然构造中沿着一定的曲率移动。此种弯曲运动将构成引力。

3.你应服从电磁力。如果你是一个电荷,你将被与自己相同的电荷所排斥,被那与你相反的电荷所吸引。磁力将是电力与电荷运动的结果。

4.你不可杀死电荷。所以你既不能摧毁也不能创造电荷。

5.你应服从弱力和强力,它们统治核世界和亚核世界。

6.你不可偷窃能量、动量或角动量。所以你应使它们守恒。能量既不能创造也不能毁灭,只能从一种形式转变成另一种形式。动量在三个空间方向的任一方向上都既不能创造也不能毁灭,只能单纯地在你、你的同行和你的邻居中间变换。角动量,是物体的旋转和亚原子微粒的转动,它既不能创造也不能毁灭,只能在你、你的同行和你的邻居中间传递。

7.你不能以超光速旅行。无论你是在运动还是在静止,光速都是不变的。

8.你可将物质变成能量,能量变成物质。所以你可将能量看作物质,将物质看作能量。物质将被转换成光速的平方级那么多的能量。

9.你应服从量子力学的原理。你不会知道微观状态是粒子还是波,因为微观状态有时像粒子有时像波。这样的状态将由量子波等式来测定。你不会同时无限精确地知道物体的位置和动量。所以你将凭不确定性和或然性前行。

10.如果你是半整数自旋,你就是费米子,服从泡利不相容原理,你不会占据你兄弟的状态。如果你是整数自旋,你就是玻色子,你将与你的同行形成完美的对称。

这知识的十诫,

将是文化与科学的财富。

科学的黄金律,

将服从宇宙的规律,

它将包含十诫,

及其自身。

物理学之书

宗教是内在的沉思;

沉思的对象是灵魂和精神。

物理学是外在的观察;

观察的对象是宇宙及其内容。

宗教与科学相辅相成。

物理学之书

是科学的经典。

它们包含自然的规律。

有了这些自然规律的知识

人就可以更好地理解自然。

物理学之第一书,称为物质

它将关系到物质之所是

第1章:微观物质

所有的微观物质应由基本粒子组成。这些基本粒子是夸克和轻子。轻子,在希腊语意为“轻盈的微粒”,包括中微子和电子。通过强烈的相互作用,三个夸克联合成一个质子或一个中子,而中子和质子粘连成一个原子核,所以夸克形成原子核。一个原子是一个环绕着电子的小小原子核。分子由两个以上的原子组成。微观物质由分子结合而成。

碳、氢、氧分子形成有机化合物。这样的一些有机大分子组成生命的分子,如蛋白质、脂类和核酸。有机物形成细胞,细胞形成生命的建筑材料。

第2章:宏观物质

大量分子在整体上集结成三种宏观物质:固体、液体、气体。冰、水和水蒸气便是例子。固体中的分子凝结在固定的位置上,而液体中的分子是自由的,它们四处流动,在流动中彼此吸引与摩擦。气体中的分子自由流动,几乎没有任何的相互作用。物质还应存在第四种状态,它很少能在地球上发现:等离子体是一种灼热气体,其中的成分都带有电荷。

狭义相对论将立约

能量是物质的一种形式。

所以将有四种物质存在:

火、土、风和水。

物质的某种宏观状态被称为相。当物质状态从一相变为另一相,相的变化便发生了。例如,一块冰的融化,固相的水变成了液相的水。

第3章:固体